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淮北孙疃煤矿采煤地裂缝发育特征研究.pdf
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1、扫码阅读下载王子威,蔡毅,严家平,等.淮北孙疃煤矿采煤地裂缝发育特征研究J.矿业安全与环保,2023,50(5):116-123.WANG Ziwei,CAI Yi,YAN Jiaping,et al.Study on development characteristics of ground fissures in Suntuan Coal Mine in HuaibeiJ.Mining Safety&Environmental Protection,2023,50(5):116-123.DOI:10.19835/j.issn.1008-4495.2023.05.019淮北孙疃煤矿采煤地裂缝
2、发育特征研究王子威1,蔡 毅1,严家平2,黄 河2,冯 宇2,尚相春3(1.安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 230601;2.安徽理工大学 测绘学院,安徽 淮南 232001;3.淮北矿业(集团)有限责任公司 孙疃煤矿,安徽 淮北 235000)摘要:为了研究孙疃煤矿的地表裂缝发育特征,通过多种现场探测技术手段对研究区 1047、10111工作面采煤沉陷区地表裂缝进行了调查监测。结果表明:地层内部裂缝从形成到闭合具有一定周期性,其周期约为 4 周;相邻外围区裂缝的间距与其距工作面边界的距离呈明显线性正相关关系;外围裂缝发育延伸位置稍滞后于工作面回采位置,其地表宽度经过短暂发育后,增长速
3、率逐渐减小,直到稳定状态;沿垂直于工作面推进方向的多条发育稳定的外围裂缝,其倾角随距工作面边界距离的增大而减小;发育稳定的外围裂缝,其深度与宽度呈对数函数关系。关键词:煤矿;开采沉陷;地裂缝;分布规律;演化规律中图分类号:TD167 文献标志码:A 文章编号:1008-4495(2023)05-0116-08收稿日期:2022-07-10;2023-08-01 修订基金项目:安徽省自然资源科技项目(2020-K-6);安徽省自然科学基金青年项目(2008085QE219,2108085QD169)作者简介:王子威(1997),男,安徽宿州人,在读硕士研究生,研究方向为工程防灾减灾理论与应用。E
4、-mail:Wzwahjz 。通信作者:蔡 毅(1988),男,安徽淮南人,博士,从事工程地质及地质灾害防治技术领域的教学与科研工作。E-mail:yicai633 。Study on development characteristics of ground fissures in Suntuan Coal Mine in HuaibeiWANG Ziwei1,CAI Yi1,YAN Jiaping2,HUANG He2,FENG Yu2,SHANG Xiangchun3(1.College of Civil Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefe
5、i 230601,China;2.Institute of Geodesy,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China;3.Suntuan Coal Mine,Huaibei Coal Mining(Group)Co.,Ltd.,Huaibei 235000,China)Abstract:In order to study the development characteristics of ground fissures in Suntuan Coal Mine,the ground fissures on
6、the mining subsidence area in 1047 working face and 10111 working face in the study area were investigated by various field detection techniques.The results show that:the internal fissures have a certain periodicity from formation to closure,and the period is about 4 weeks;the spacing of adjacent pe
7、ripheral fissures has a significant positive linear correlation with the distance from the working face boundary;the development and extension position of peripheral fissures slightly lags behind the mining position of working face,and after a short and rapid development,the growth rate of its surfa
8、ce width gradually decreases until it is stable;the dip angle of several stable peripheral fissures along the advancing direction perpendicular to the working face decreases with the increase of the distance from the working face boundary;for the developed stable peripheral fissures,the depth and wi
9、dth show a logarithmic function relationship.Keywords:coal mine;mining subsidence;ground fissure;distribution law;evolution law 淮北矿区作为年产原煤千万吨以上的大型矿区,在我国煤炭能源供给上占据重要地位。淮北地处黄淮海平原,矿区煤层埋藏较深且上部覆有松散冲积层,矿区采煤多采用综采工艺,顶板管理方式为垮落法。煤层开采后引发上覆岩层扰动及地表沉陷,其中地表沉陷不仅周期较长,而且影响范围远大于采空区1。随着采煤工作面的推进,地表各处产生不均匀沉降,在工作面上方及外围形成了大
10、量裂缝,对矿区建筑物构成威胁,同时也会对矿区生态环境及农业生产造成影响2-7。因此,为了保障矿区生产生活安全,最大程度降低采煤沉陷引发的地裂缝地质灾害,需要611Vol.50 No.5Oct.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 5 期2023 年 10 月针对矿区采煤沉陷地裂缝发育特征展开研究。目前,众多学者针对矿区地表移动及地裂缝发育特征进行了研究。胡振琪等8通过井上井下相结合的空间坐标控制体系,指出风积沙区动态裂缝超前距与工作面日推进量存在线性关系,边缘裂缝以“带状”“O 形圈”分布于开采边界内侧;苏静等9
11、采用布设地表观测站的方法,针对厚松散层下综放开采对地表沉陷范围的影响进行了研究;李运成等10通过构建工作面 3DEC 数值模型,探究了黄土沟壑区开采导致的地表裂缝的产生机理、发育特征和展布规律。不同矿区因地质条件存在差异性,其地表移动变形规律及地裂缝发育特征也各不相同11-19,尤其,针对淮北矿区地裂缝分布及发育规律鲜有系统研究。综合考虑研究角度及目的,采煤地裂缝常见的 3 种分类方法有:形态分类法、力学分类法和成因分类法20。笔者依据采动裂缝分布状态,将采煤地裂缝分为内部裂缝及外围裂缝,其中:内部裂缝主要分布于采空区正上方,偶有延伸越过工作面边界;外围裂缝主要分布于采空区边界及其外围。通过对
12、孙疃煤矿 1047 和 10111 工作面的地面调查与综合分析,掌握研究区采煤沉陷地表裂缝的一般规律与特征,为矿区采煤地裂缝地质灾害防治和生态环境保护提供科学依据。1 研究区概况孙疃煤矿位于淮北煤田的南部,含煤岩系沉积环境稳定,地层厚度、煤层间距、煤层厚度均具有一定的稳定性。岩层总体为走向近于南北,向东倾斜的单斜构造,地层倾角一般 1020,且沿走向和倾向变化不大21。通过对淮北矿区孙疃煤矿 1047 工作面及 10111 工作面进行地裂缝观测及数据分析,系统探究其内部裂缝和外围裂缝分布及发育规律。2 个工作面概况分述如下:1047 工作面采煤方法为综采法,推进速度为 3.5 m/d,设计走向
13、长560 m,倾向宽 220 m。主要回采 10 煤,上覆松散层厚约 220 m,采深-380.4-427.3 m,采高约 3.3 m,煤层倾角为 15。煤层直接顶为厚1.7 m 粉砂岩,老顶为厚2.4 m 细砂岩;直接底为厚 1.2 m 粉砂岩,老底为厚3.0 m 细砂岩。10111 工作面设计走向长 926 m,倾向宽 295 m,煤层埋深 560 m,上覆松散层厚约230 m,煤层平均采高 3.3 m,煤层倾角为 19。工作面推进速度为2.4 m/d,直接顶为厚10.8 m 粉砂岩,老顶为厚 6.4 m 泥岩;直接底为厚 2.2 m 粉砂岩,老底为厚 5.9 m 泥岩。工作面地层剖面如图
14、 1 所示。地层类别表层土细砂黏土中砂砂质黏土细砂泥岩细砂岩粉砂岩细砂岩铝质泥岩粉砂岩与细砂岩互层泥岩与粉砂岩互层细砂岩粉砂岩1 0 煤粉砂岩细砂岩厚度/m1 0.21 2.33 1.93.73 7.71 4.68 5.71 8.43 1.13 3.01 3.05 3.93 1.92.41.73.31.23.0剖面剖面地层类别表层土砂质黏土与细砂岩互层黏土与砂质黏土互层风化泥岩风化粉砂岩泥岩泥岩与粉砂岩互层泥岩与细砂岩互层泥岩与粉砂岩互层铝质泥岩泥岩与粉砂岩互层1 0 煤粉砂岩泥岩厚度/m1 0.03 3.01 1 4.81 4.81 7.13 9.31 3 6.87 1.24 4.71.87
15、 6.63.32.25.9(a)1 0 4 7 工作面地层(b)1 0 1 1 1 工作面地层图 1 工作面地层剖面柱状图2 地裂缝监测2.1 监测手段针对选取的各工作面内部裂缝及外围裂缝,采用 RTK(载波相位差分技术)定位、无人机监测、地质雷达监测、坑槽探测及地面测量等监测手段开展调查监测。具体而言:针对地裂缝分布位置,采用RTK 定位、无人机监测及地面测量的手段;针对地裂缝演化规律,采用无人机对裂缝进行持续监测,同时结合地面测量以完善监测数据;针对地裂缝深度发育,采用地质雷达及坑槽探测法进行监测。地质雷达现场采样参数见表 1。表 1 地质雷达参数设置参数类别不同天线类型参数100 MHz
16、500 MHz数据位数1616尺寸(长宽高)/m1.250.780.200.500.330.16采样频率/Hz1 1619 854采样点数4261 386时窗/ns366.86140.66径向分辨率/cm255最大探测深度/m256叠加次数自动叠加自动叠加采集模式测轮距测轮距711第 50 卷 第 5 期2023 年 10 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.5Oct.20232.2 监测方法2.2.1 地裂缝分布为了探究研究区工作面地裂缝分布位置,在采空区上方划定内部裂缝调查区,沿开采方向依次进行内部裂缝调查;在
17、采空区机巷外围沿垂直开采方向依次进行外围裂缝调查,基于调查获取的地裂缝进行 RTK 定位并对照地面测量。对于工作面范围较大,同时受地形地物影响的 1047 工作面,为了有效地避免人工观测的片面性,同时采用无人机航拍进行调查。2.2.2 地裂缝演化规律针对 1047 工作面内部裂缝发育规律,选取采空区上方 1 条内部裂缝,采用无人机每 2 周进行一次持续监测;针对外围裂缝,在 4 周内对同一地区内外围裂缝进行 3 次无人机拍摄;针对裂缝地表宽度演化,选定 1047 工作面内部裂缝 N6 及 3 条外围裂缝,布设测点 17,并对测点进行裂缝地表宽度的持续监测。测点位置如图 2 所示。图例地面道路地
18、面水系工作面边界内部裂缝调查区域裂缝宽度监测点采煤地裂缝N风巷0 5 01 0 0 m开切眼机巷开采方向N 1 N 5N 612345761 0 4 7 工作面(a)1047 工作面地裂缝分布图例地面道路地面水系工作面边界采煤地裂缝N风巷0 5 01 0 0 m机巷开采方向1 0 1 1 1 工作面出煤联巷W1W2W3W4W5(b)10111 工作面地裂缝分布图 2 地质雷达及坑槽布设情况2.2.3 外围裂缝宽度与深度的关系为了获取外围裂缝宽度与深度之间的关系,采用地质雷达及坑槽探测法,针对发育稳定的外围裂缝进行监测,具体过程分述如下:地质雷达布设。在 1047 工作面机巷外围布设 2 条相互
19、垂直测线,分别为 SL1 和 SL2,其中,SL1 为南北走向,长度为55 m;SL2 为东西走向,长度为 106 m,具体测线布设见图2。本次现场地质雷达波高频发射,选择非屏天线 500 MHz 与 100 MHz,分别针对测线 SL1 和 SL2进行测试。坑槽布设。选取 1047 工作面测线 2中 4 条比较典型的外围裂缝,沿垂直于机巷方向进行坑槽布设,开展基于坑槽探测法的地裂缝调查。具体而言,通过开挖探槽,对外围裂缝的宽度、深度、倾斜度进行观察、实测。其中坑槽分别距工作面边缘 60、86、104、136 m。坑槽开口处尺寸为 150 cm120 cm150 cm(长宽深),采用 3 个台
20、阶分层开挖方式,开挖后用罗盘测量裂缝面倾角,用卷尺测量裂缝不同深度时的宽度,并在坑槽底部用卷尺测量裂缝深度。坑槽位置见图 3。4#坑槽3#坑槽2#坑槽1#坑槽机巷1 0 4 7 工作面S L 1布设方向S L 2布设方向图 3 地质雷达及坑槽布设位置3 地裂缝分布及演化规律3.1 内部裂缝分布及演化规律3.1.1 分布规律由图2(a)可知,1047 工作面采空区上方共调查有6 条内部裂缝。其中,N1N5 内部裂缝相对于 N6 发育规模较大,长度在3.24.6 m,延伸方向为 9198,且裂缝延伸位置在靠近工作面边界时发生转折,但总体与工作面开采方向基本保持垂直。3.1.2 裂缝从形成到闭合的演
21、化规律由 1047 工作面内部裂缝发育监测结果可知,随着地下采煤活动的不断推进,地表沉陷盆地沿工作面采动方向不断向前发展,平行于开切眼方向的内部裂缝在沉陷盆地的推进过程中规模从小变大再变小,最后趋于闭合。内部裂缝由形成、发展到闭合的过程见图 4。811Vol.50 No.5Oct.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 5 期2023 年 10 月(a)地裂缝位置(b)裂缝形成(c)裂缝发展(d)裂缝闭合图 4 内部裂缝发育过程3.2 外围裂缝分布及演化规律3.2.1 分布规律10111 工作面地表共调查有 5 条
22、外围裂缝,其分布如图 2(b)所示。其中,裂缝 W1 宽 3 cm,上下盘落差为 5 cm;裂缝 W2 宽 3 cm,上下盘落差 4 cm;裂缝 W3 宽 5 cm,上下盘落差为 12 cm;裂缝 W4 宽18 cm,上下盘落差为 18 cm;裂缝 W5 宽 5 cm,上下盘高差为 1415 cm。5 条外围裂缝与工作面机巷基本保持平行。外围裂缝与工作面距离越大,其裂缝之间的间距也会随之增大,如图 5 所示。通过拟合可知,外围裂缝之间间距与距工作面边界的距离呈明显线性正相关关系。W5W4W3W2W12 9.6 m3 5.8 m4 0.0 m4 7.6 m5 0.0 m风巷采空区机巷图 5 10
23、111 工作面外围裂缝分布3.2.2 裂缝从形成到稳定的演化规律通过对 1047 工作面选定区域内外围裂缝的持续调查,从正射影像图中几条规模较大的外围裂缝清晰可见,其长度约 30 m,宽度 310 cm。裂缝发育状态见表 2,外围裂缝发育过程见图 6。表 2 外围裂缝发育规律裂缝编号调查 0 周调查 2 周调查 4 周是否发育 宽度/mm 是否发育 宽度/mm 是否发育 宽度/mm1#是26是46是622#否是28是503#否是22是464#否否是271#(a)0 周裂缝发育1#2#3#(b)2 周裂缝发育1#2#3#4#(c)4 周裂缝发育图 6 外围裂缝发育监测通过无人机连续拍摄的 3 次
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